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16/12/13

Giove: una “perla” ancora misteriosa *

Parliamo un po’ di Giove, il papà dei pianeti del Sistema Solare. Lo faremo in modo un po’ diverso dal solito, dando particolare rilievo alla sua parte interna, quella più misteriosa e affascinante. Per sapere dimensioni, massa e cento altri parametri basta andare in uno qualsiasi dei tantissimi siti “professionali” che si trovano sul web. Ovviamente dedico l’articolo a Giorgia

Aver chiamato Giove una “perla” non si riferisce solo alla sua bellezza esteriore. Quest’ultima, in fondo, si basa solo su un vestito colorato, dominato da tracce di vari composti chimici, da fortissimi venti e da cicloni e anticicloni violentissimi. Una meraviglia certamente, ma ben lontana da ciò che nasconde il suo interno.

L’atmosfera di Giove è ben piccola rispetto all’intero pianeta. Anzi, non si sa nemmeno dove termina e dove inizia. Se ne leggono di tutti i colori nei vari libri e articoli. Il fatto è che non è possibile definire un inizio di qualcosa che non può avere un inizio. Sulla Terra è facile: l’atmosfera comincia dove termina la parte solida del pianeta. Su Giove questo discorso non ha senso. Per trovare una parte solida su Giove bisogna scendere a profondità enormi e forse non si troverebbe nemmeno. Proprio a questa incertezza si riferisce la “perla” del titolo.

L’inizio dell’atmosfera, quindi, viene scelta, simbolicamente, a partire da un certo valore della pressione. In particolare si usa normalmente un valore di circa 10 bar, dieci volte quella della Terra al livello del mare. Le strutture nuvolose che caratterizzano la visione di Giove sono comprese tra questo valore e 1 bar. Ma non perdiamoci troppo dietro questa parte che è quella meglio conosciuta e che è descritta un po’ ovunque con dovizia di particolari. Ricordiamo solo che le nubi sono soggette a fortissimi venti che raggiungono parecchie centinaia di chilometri all’ora. Essi sono dovuti alle differenza di temperatura e di altezza dei vari strati coinvolti. Vediamo così bande e zone che sembrano perfettamente scandire le latitudini del pianeta.

Particolarmente evidente è un anticiclone immenso che viene chiamato Grande Macchia Rossa. Un anticiclone (una specie di vortice più grande dell’intera Terra) probabilmente perenne, dato che non ha un suolo sotto di lui e che quindi può mantenersi intatto per tempi lunghissimi. Inoltre, esso ha un momento angolare impressionante e non è facile fermare qualcosa di questo genere. Provate a fermare un portone pesantissimo che è stato faticosamente messo in rotazione. Se è stato difficile farlo muovere è forse ancora più difficile fermarlo!

I colori dipendono da piccole tracce di vari composti chimici contenenti zolfo, ammoniaca e molto altro. Fondamentalmente, però, essa è formata da idrogeno (75%) ed elio (20%), ricordando quasi perfettamente la miscela della nebulosa protoplanetaria originaria. La Fig. 1 dà un’idea dell’atmosfera gioviana, utilizzando il solito diagramma pressione-temperatura. L’atmosfera così definita rappresenta uno straterello insignificante dell’intero pianeta e a noi interessa molto di più cercare di capire cosa c’è dentro la “perla” e se è davvero tale.

fig. 1
Figura 1

Una perla si forma nell’ostrica quando una qualche corpo estraneo entra dentro la conchiglia. L’animale si difende e ricopre l’intruso con vari strati di madreperla, evitando qualsiasi problema. Le perle coltivate si ottengono, ovviamente, inserendo, artificialmente, una qualche impurità dentro la povera ostrica che senza sapere il colpevole inizia la sua opera difensiva molto apprezzata dalla razza umana. Su Giove non è stato possibile inserire niente artificialmente e quindi se è perla deve essere perla naturale e preziosissima.

Il problema è un altro: vi è o non vi è un corpuscolo centrale che ha dato il via all’intera struttura del pianeta? In altre parole, Giove è una perla oppure no? Finiamola con gli scherzi e parliamo più seriamente. L’intruso al centro di Giove è un eventuale nucleo roccioso. Sicuramente esso è molto piccolo, da 15 a 50 volte la massa terrestre. Sembrerebbe immenso e invece rappresenta solo una piccola percentuale dell’intero pianeta (dal 3 al 15%): proprio un piccolo intruso.

Non è certo facile poter dire se esiste oppure no. Attraversare il pianeta è impossibile per qualsiasi manufatto umano (pressione e temperatura sono “abbastanza” elevate...), per cui è necessario capire le cose a distanza, attraverso effetti secondari. Ci vengono in aiuto la rapida rotazione di Giove (poco meno di 10 ore) e il suo elevato schiacciamento polare (il raggio equatoriale è di circa 71 000 km contro i 67 000 polari). Dato che Giove è una struttura essenzialmente fluida, è relativamente facile stabilire la forma di equilibrio dovuta alla rotazione, in funzione di cosa vi è al suo interno.

Una figura, come la Fig. 2, vale cento parole. A parità di rotazione e di massa, un corpo che ha un nucleo roccioso più grande si deforma meno di uno che ha un nucleo più piccolo. Ciò che si osserva su Giove indica che il nucleo deve essere molto piccolo. Forse anche inesistente, ma questa decisione finale va oltre gli errori di misura e quindi sono necessari studi più approfonditi attraverso osservazioni più accurate, che non mancheranno nel prossimo futuro grazie alla missione Juno (NEWS! Ecco QUI le spettacolari immagini inviate da Juno!)

 

fig. 2
Figura 2

Questo ipotetico nucleo roccioso sarebbe molto simile ai satelliti stessi di Giove: una mistura di ghiacci, silicati e carbonati, i mattoni tipici della zona in cui si sono costruiti. Che sia una perla oppure no è, in ogni caso, piuttosto importante perché darebbe una risposta al tipo di costruzione planetaria usata per i giganti: un nucleo roccioso che cattura gas, oppure un’instabilità locale direttamente agente sul gas.

Ben più interessante è, però, ciò che si trova in tutto il resto del pianeta. In realtà chi la fa da padrone è l’idrogeno (tanto per cambiare) e l’elio, con percentuali simili a quelle dell’atmosfera esterna. Tuttavia, l’idrogeno viene solitamente immaginato come gas e le stelle aiutano ad avvalorare questa visione. Un pianeta come Giove (e probabilmente anche suo fratello minore Saturno) ha valori di temperatura e pressione tali da fare assumere all’idrogeno una strano stato della materia, simile in qualche modo al mercurio. L’idrogeno diventa liquido, ma la struttura molecolare assomiglia a quella tipica dei metalli. In parole molto semplici, i protoni si stringono tra loro e lasciano liberi gli elettroni che formano una specie di nuvola attorno a loro. In queste condizioni l’idrogeno diventa un perfetto conduttore di elettricità, proprio come i metalli. Siamo di fronte all’idrogeno liquido metallico, il vero dominatore dell’interno di Giove. Oggi si pensa che si estenda per almeno il 70% del raggio planetario. Esso, in rapida rotazione, dà origine all’intenso campo magnetico del gigante (il quale, a sua volta, genera delle magnifiche aurore polari!).

Diminuendo pressione e temperatura l’idrogeno metallico si trasforma in idrogeno liquido, uno stato della materia che conosciamo molto meglio e che può essere prodotto facilmente nelle industrie terrestri. Ovviamente, non vi è un confine vero e proprio tra le due forme dell’elemento più leggero e abbondante del Cosmo e dobbiamo aspettarci una fase di transizione anche piuttosto grande.

Analogamente non vi è un confine netto tra l’idrogeno liquido e quello gassoso superficiale. Per aver un’idea più chiara di questo strano comportamento dell’idrogeno, vediamo i suoi cambiamenti di fase in un diagramma pressione-temperatura (come viene fatto per l’acqua) nella Fig. 3. Essa è molto interessante, anche se l’ho disegnata in modo abbastanza qualitativo. Già si nota subito il limite tra stelle e pianeti. Esso è dato dalla linea delle nane brune. La linea non è certo così netta, ma identifica bene il passaggio da idrogeno liquido a idrogeno gassoso anche per alti valori di temperatura e pressione (è molto più facile ottenerlo sulla superficie della Terra, ma andremmo molto fuori dalla figura, ricordando che la pressione terrestre è di soli 0.000001 milioni di bar, ossia un bar).

fig.3
Figura 3

Si vede bene come sia Giove che Saturno possono tranquillamente raggiungere le condizioni dell’idrogeno metallico, mentre Urano e Nettuno dovrebbero accontentarsi solo di quello liquido.  Un ultimo appunto sulla figura che ci riporta alla “nostra” matematica. Notate che strane scale ho usato per le ascisse e le ordinate. Esse sono scale logaritmiche, perfette per poter disegnare in poco spazio valori estremamente diversi tra loro. Tenetele a mente e tornateci sopra quando parleremo di logaritmi (tra non molto). La Fig. 4 mostra la struttura interna di Giove.

fig.4
Figura 4

Giove e Saturno hanno un’altra caratteristica molto importante: essi non sono stelle, e nemmeno stelle “mancate” di poco, ma irraggiano più calore di quanto ne ricevono. Giove è ancora in fase di raffreddamento dopo il riscaldamento dovuto alla sua contrazione gravitazionale e quindi la produzione eccessiva di calore è facilmente giustificabile. Saturno, invece, è più piccolo e dovrebbe essersi ormai raffreddato. Invece il Signore degli anelli emana ancora calore: forse a causa della pioggia di elio (un fenomeno estremamente interessante che può servire a produrre calore in quantità maggiore da quella ricevuta dal Sole), forse perché il calore viene trasportato lentamente e parzialmente dalla diffusione attraverso strati diversi di gas che avvolgono l’interno del pianeta.

Negli strati in cui vi è idrogeno liquido, l’elio può condensarsi e cadere verso le parti più interne sotto forma di vere e proprie goccioline. Oltretutto, trascina con sé anche il neon e questo ne spiega la mancanza negli strati superiori. L’interazione con l’idrogeno liquido metallico sottostante è in grado di produrre energia e quindi calore. Anche Giove ha probabilmente questo “acquazzone” (o “eliozzone”?) continuo, ma meno violento, date le temperature più alte.

Io mi fermerei qui. E’ inutile darvi numeri, distanze, e cento e altri parametri: li trovate un po’ ovunque. Posso solo aggiungere che Giove non galleggerebbe sull’acqua (come invece farebbe Saturno): la sua densità é 1.3 volte superiore.

Comunque, sempre a vostra disposizione per altre informazioni. Su Giove si sono scritti libri interi e ricordo ancora  benissimo il grande congresso tenutosi a Tucson (Arizona) nel 1975 (eravamo solo due italiani presenti), dopo la prima missione ravvicinata del Pioneer 10, e il compianto Carl Sagan quando presentò, con grande emozione, la sua targa. Sembra ieri, ma quante cose sono cambiate da quelle relazioni veramente "primitive". Pensate che si stava solo allora capendo cosa fosse veramente la macchia rossa... altri tempi!

 

21 commenti

  1. Interessantissimo,  in funzione di quanto detto, cosa è successo agli strati alti quando c'è caduta addosso la cometa Shoemaker Levy 9? Per svariati giorni, se non mesi, sono comparse delle macchie scure sul visibile e dei segni a t° maggiori all'IR, c'è stato qualcosa che prese a fuoco? Per una fiamma però serve combustibile e corburente, quali elementi potrebbero fare al caso nostro. Mi sa che è necessaria la presenza di ossigeno per avvalorare questa ipotesi e mi sembra che di Ossigeno su Giove non ne ho mai letto

  2. caro Marco,
    i processi avvenuti durante l'impatto sono molteplici e coinvolgono sia la composizione della cometa che quella dell'atmosfera. Tu parli di "bruciare", in realtà l'urto è molto simile a ciò che capita in una meteora. Si originano ioni che emettono energia e quindi brillano notevolmente, Non vi è bisogno di ossigeno per emettere luce... Il fatto che si vedeva meglio nell'IR dipende dalla struttura polverosa delle comete e dalla temperatura più bassa rispetto all'atmosfera ionizzata. Sono molto sintetico, ma un'esatta spiegazione delle varie fasi sarebbe un discorso molto lungo... 

  3. etruscatro

    interessantissimo... come sempre!
    grazie Enzo :wink:  

  4. gioyhofer

    Ciao Enzo,
    molto bello l'articolo, complimenti come sempre...
    Un paio di domande: Se il nucleo roccioso di Giove è 15/50 volte la massa Terrestre potrebbe essere fatto di ferro oppure potrebbe essere costituito da qualche altro materiale più pesante visto che, come dici tu, deve essere per forza molto piccolo altrimenti il pianeta non si deformerebbe così tanto?
    La composizione del nucleo si potrebbe dedurre dalle dimensioni e dalla potenza della magnetosfera di Giove(spero di non aver detto una cavolata)?
    Giorgia (grazie per la dedica)
     

  5. ciao Giorgia,
    il campo magnetico di Giove si deve soprattutto alla stato metallico dell'idrogeno che diventa conduttore e quindi genera campo magnetico con la rotazione. La composizione del nucleo gioviano deve essere simile a quello dei satelliti che lo circondano: in quella zona i planetesimi erano soprattutto formati da vari tipi di ghiaccio sporcati da silicati e carbonati. I metalli devono essere in minima percentuale. D'altra parte il gradiente di composizione degli asteroidi (più metallici e silicei quelli vicini e più carbonacei e forse ghiacciati quelli esterni) indica una chiara   tendenza, avvalorata dalle comete che dovrebbero ben rappresentare i mattoni primordiali più esterni.
    Tutto ciò sempre che Giove si sia formato dov'è adesso e non più vicino... ma, sulla migrazione verso l'esterno, vi sono parecchi dubbi e -sinceramente- io non la condivido tanto..
     

  6. davide1334

     
    interessante articolo enzo....ma,forse l'avevi già spiegato altrove,ma mi suona veramente strano il concetto di "idrogeno metallico".....cioè sarebbe la definizione dell'idrogeno allo stato solido?è la gravità che lo "schiaccia" oltremisura  tanto da fargli cambiare la consistenza?alla fine rimane pur sempre idrogeno no?cosa avrebbe di metallico?
     

  7. caro Davide,
    dunque... devi pensare al mercurio. Lui è un liquido ma ha le caratteristiche dei metalli. Per l'idrogeno non si ottiene un solido (non si formano cristalli), ma le molecole assumono una struttura particolare: gli elettroni lasciano l'orbitale locale e si sistemano in una specie di nuvola comune a tutti i nuclei protonici. E' un vero e proprio cambio di stato, come l'acqua che passa da gas a liquido, ma in più la struttura elettronica diventa simile a quella dei metalli e quindi riesce a condurre elettricità.  In rapidissima rotazione la corrente produce campo magnetico. Questa struttura si forma (come vedi nella figura) per certi valori della pressione e della temperatura. Valori che sono plausibili in corpi come Giove, ma non per le stelle, in cui la temperatura è troppo alta rispetto alla pressione. C'entra sicuramente la gravità, ma ciò che comanda è l'equazione di stato, ossia il bilanciamento tra volume, densità e temperatura...

  8. beppe

    Mi pare strano pensare all'idrogeno solido, e pensare che in una vita precedente sono stato chimico!
    Effettivamente non credo possa cristallizzare, a meno di non immaginare cubetti di protoni con elettroni che svolazzano in orbite inimmaginabili per tenerli uniti... Il liquido metallico dovrebbe avere una conducibilità altissima forse un superconduttore!!! Che meraviglia pensare cosa possa succedere in quel mare di idrogeno. Anche l'eventuale nucleo roccioso non se la passerebbe bene, l'idrogeno in quelle condizioni sarebbe altamente corrosivo!!
    Che regalo mi fai Enzo, oltre a farmi ristudiare matematica, fisica anche chimica! 

  9. gioyhofer

    Ho già sentito parlare della teoria sulla "deriva" dei pianeti ma sempre riferita solamente a Urano e Nettuno... Dove posso trovare altre informazioni al riguardo??? 
    Grazie
    Giorgia 

  10. cara Giorgia,
    se mi dai un po' di tempo potrei anche parlarne... Ne hanno detto di tutto e di più: prima parlando di migrazione verso l'esterno e poi verso l'interno. Io ho profondi dubbi a riguardo... Comunque su Wiki (Giove) ci sono riferimenti a un paio di lavori... 

  11. gioyhofer

    Aspetterò con gioia un'articolo a tal proposito, intanto cerco un po' su wiki.
    Grazie mille :))
    Giorgia 

  12. davide1334

    grazie enzo per la spiegazione,chiarissima..."metallicità" per la conduzione elettrica che forma il campo magnetico....ma come dire,a livello di..."consistenza" come sarebbe questo idrogeno metallico? l'idrogeno non può cambiare in stato solido,ma mi pare di capire che sarebbe ben più denso di un liquido....una sorta di plasma?quindi anche le nane brune dovrebbero presentare l'idrogeno al loro interno in questo stato?

  13. Marcelberg

    Grazie Enzo,
    pensa che volevo chiederti proprio dei chiarimenti rispetto al nucleo Gioviano...mi hai preceduto! :)
     

  14. caro davide,
    io direi di pensare al mercurio dei vecchi termometri con cui si giocava ai miei tempi... Per le nane brune, come vedi, siamo un po' troppo alti nel diagramma di stato, anzi proprio loro rappresentano un passaggio di stato. Sarà interessante studiarle nel loro interno, ma... per adesso sono un po' troppo distanti... 

  15. AlexanderG

    Complimenti come sempre per il bellissimo e chiarissimo articolo.
    Stavolta ti faccio una domanda un po' sciocca, nata solo dalla mia curiosità: prima della scoperta della sua vera natura, cosa si pensava che fosse la grande macchia rossa? :)

  16. caro Alex,
    si pensava fosse comunque una caratteristica atmosferica, ma dovuta soprattutto alla composizione chimica. Tuttavia, era considerata un vero e proprio piccolo mistero, anche se le prime ipotesi dirette verso la verità si stavano già facendo strada... 
    TANTI AUGURI e ricambio di vero cuore l'abbraccio!!!! 

  17. AlexanderG

    Grazie per la rapidissima risposta :)
    Tantissimi auguri anche a te.

      Alex. 

  18. Ronz

    Gentile Prof. Zappalà,

    Riconducendomi ad un suo articolo molto interessante e da suo suggerimento mi portava su questo altro articolo altrettanto interessantissimo permangono ancora dei dubbi, non tanto sull'idrogeno metallico liquido, che è un liquido tanto quanto il mercurio ma sull'idrogeno molecolare liquido. L'immagine di fluido supercritico che non presenta tensione superficiale e sfuma gradualmente da liquido a gas (come in alcune lavatrici per lavaggi a secco dove si usa CO2 allo stato supercritico) può essere veritiera oppure è un pò forzata? Purtroppo ci rimane solo l'immaginazione per poter avere un'idea di cosa c'è la sotto, sono stati molto lontani dalla quotidianità terrestre. Se quindi sono dei liquidi a tutti gli effetti dovrebbero avere l'aspetto di enormi oceani con tanto di onde o magari tsunami, con una pioggerellina di elio che ci piove sopra ma che non si mischia con l'idrogeno e va in giù, un immagine non lontana da quella dell'oceano atlantico (se si considera che da quanto ho letto l'idrogeno metallico liquido è di colore blu, magari un blu opaco). Se ci cadesse qualcosa in quell'oceano farebbe splash come in un mare o lago terrestre? La ringrazio per la velocità nella risposta, ma da appassionato che però non è molto pratico di fisica ed astronomia ma molto curioso è sempre difficile immaginare queste realtà (come immagino anche per voi del settore dopotutto) Grazie, saluti.

  19. sai Ronz, la faccenda non è così semplice, dato che ogni cosa è sfumata e passa lentamente da uno stato all'altro. Pensare a un oceano con l'atmosfera che lo sovrasta è una visione terricola, così come le onde che si sollevano e cose del genere. Dobbiamo tener conto della pressione e della temperatura che sono governate dalla pura gravitazione. L'unica cosa che può assomigliare a qualcosa di casalingo è la parte superiore dell'atmosfera in cui si notano vortici, uragani e fenomeni simili. Ma al di sotto le condizioni non sono minimamente paragonabili... :wink:

  20. Ronz

    Grazie per la risposta, è vero sono condizioni troppo lontane della nostra quotidianità. Comunque sia sono pianeti molto interessanti i giganti gassosi, più interessanti di quelli terrestri per via della loro strana struttura interna! :wink:

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